岩石力学研究新进展 ppt

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第四节 岩石断裂力学与损伤力学概论
一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发 展紧密相关 今天随着科学技术的迅速发展，世界上在矿产 资源勘探，能源开发，工程建设的环境与安全 等方面的需要，对岩体力学提出了更多更高的 要求。大型，特大型的岩体工程修建，都使岩 体力学面临着前所谓遇的难题。这些问题的解 决，一方面要依靠岩体力学的理论与方法的进 一步完善，另一方面，也要求地质学科，尤
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第五节 岩石力学中的耦合分析
• 是研究系统中多场相互制约、相互影响 的规律的科学。包括两场耦合和三场耦 合，如应力场与渗流场耦合，应力场、 温度场和渗流场耦合。
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第六节 深部岩体力学问题
• 地下空间不断走向深部:矿山、水电工程 的引水隧道、核废料的深埋处、深层地 下防护工程等。与浅部岩体工程相比具 有较大的差异，而用传统的连续介质力 学理论无法圆满解决，成为当前研究的 热点。
• 自然界中的岩体被各种构造形迹（如：断层、 节理、层理、破碎带等）切割成既连续又不连 续的地质体。
• 许多岩石力学过程的数学描述要么是不存在的， 要么是不完全的，可以广泛接受的概化模型并 不多。
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第二节 数值分析在岩体力学中的应用
和发展
（一）数值分析方法的分类
在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中， 主要使用的方法为有限元法，边界单元，离 散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等
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• 岩石断裂力学：
• 运用断裂力学方法研究岩石中宏观裂 纹尖端的应力、位移，提出裂纹起裂的 判据几裂纹开裂方向。包括线弹性断裂 力学和弹塑性断裂力学。
• 岩石损伤力学：
• 在环境或外载作用下，由于细观结构 的缺陷（微裂纹、微空洞等）引起材料 或结构的劣化过程称为损伤。岩石损伤 力学是研究含损伤岩石的变形过程、损 伤演化及破坏力学过程的科学。
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其是工程地质方面的学科的理论与方法进一步 完善。特别是勘探手段与技术方法的发展紧密 相关。因此要发展岩体力学着门学科，应密切 注视工程地质学科方面的发展，它们是相辅相 成密不可分的。
二、固体力学成就在岩体力学中的应用
（一）断裂力学在岩体力学中的应用
目前，岩石断裂力学的应用前景主要如下：
1.岩石的断裂预测与控制断裂; 2.岩石裂纹的形成与扩展.
第十章 岩石力学研究新进展
• 1、引言 • 2、数值分析在岩石力学中的应用 • 3、岩石细观力学研究 • 4、岩石断裂力学与损伤力学概论 • 5、岩石力学中的耦合分析 • 6、深部岩体力学问题 • 7、新的数学方法和软科学在岩石力学中的应
用 8、其他
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• 第一节 引 言
• 岩石力学是一门既具有理论内涵，工程实践 性又很强的发展中的科学。
宏观力学性质没有直接影响的微裂纹、位错等 为微观尺寸。 • 岩石细观力学是研究细观尺寸上岩石破裂演 化过程及破坏规律的科学。
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• 2 岩石力学细观力学研究方法 • 1）理论上：统计细观损伤力学方法。包括细
观描述、统计描述和宏观描述。 • 2）实验上： • 光学显微镜观测方法； • 电子显微镜观测方法； • 声发射方法； • 计算机断层成像，即CT技术。
（二）有限元法原理及其应用要点
原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区 插值的离散化处理把基本支配方程转化为线 性代数方程，把待解域内的连续函数转化为 求解有限个离散点（节点）处的场函数值。
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• 应用要点：
１.正确划分计算范围与边界条件 2.正确输入岩体参数及初始地应力场 3.采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边界 效应
（二）声波层析技术在岩体力学方面的应用受 到注视。
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声波层析技术在岩体测试中的应用
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五、位移反分析法在岩体力学中的应用
1.位移反分析法：在岩体工程施工开挖过程中， 通过测量位移、应变或应力，来确定岩体的初 始地应力或岩体力学参数。
2.应用
反问题法不仅是参数估计，它的进一步推广应 用是工程预测和险情预报、反馈动态设计、调 整施工方案以及可靠度评价等
离散单元法完全强调岩体的非连续性。它认为， 岩体中的各离散单元，在初始应力作用下各块 体保持平衡。岩体被表面或内部开挖以后，一 部分岩体就存在不平衡力，离散单元法对计算 域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行 不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定该岩块 内不平衡力引起的速度和位移。反复逐个岩块 进行类似计算，最终确定岩体在已知荷载作用 下是否将破坏或计算出最终稳定体系的累计位 移。
（三）岩石力学问题的其他数值分析方法 1.边界单元法
有限元法是对问题的微分近似表达式给出了精 确解，它实质上属于微分法。
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与微分法相对应的是积分法，积分法所涉及的 边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化 仅在边界上近似。下图表示了在外部问题模拟 时微分法与积分法之间的区别。
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2.离散单元法
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（二）损伤力学在岩体力学中的应用
将损伤力学的基本方法和过程应用于岩石力 学即岩石损伤力学。岩石损伤力学认为：岩 体内存在有连续分布性的初始缺陷和密集的 微观裂纹，但在宏观上仍可视为连续介质看 待。对于遍布节理，裂隙岩体或呈多组节理 分布的裂隙岩体更切合实际。
三、岩石力学试验与测试方法的进展
（一）在室内模拟试验方面，离心模拟试验由 于具有其他模拟试验方法所不具备的优点而 受到注视。
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离散单元 法算例： 研究地下 煤层开挖 引起冒落 和岩层移 动，研究 冒落带深 度与节理 间距的关
系。
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3.块体理论
块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结构 面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用矢 量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可 能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖 面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对 几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、 潜在关键块体、关键块体。
此外，在计算方法上，还有半解析法、加权残 余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法的 耦合应用。
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• 例子
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第三节 岩石细观力学研究
• 1 尺寸划分 • 1）自然界普遍发育、直接影响岩体力学特性、
大于毫米级的裂隙、节理、断层等为宏观尺寸。 • 2）发育在岩石结构中，直接影响岩石力学性
质、毫米—微米级的裂纹为细观尺寸。 • 3、发育在岩石矿物晶体内部，一般对岩石的